《计算机组成原理 教学课件 ppt 作者 黄颖 计算机组成原理6》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理 教学课件 ppt 作者 黄颖 计算机组成原理6（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械工业出版社 计算机组成原理 黄颖等主编 ,计算机组成原理,第六章 输入输出系统,6.1 I/O概述,6.1.1 I/O接口的功能及组成 1I/O接口要解决的问题 2I/O接口的功能 接口电路应具有的功能如下： （1）I/O地址译码与设备选择。 （2）信息的输入输出。 （3）命令、数据和状态的缓冲与锁存。 （4）信息转换。 （5）实现控制逻辑。 3I/O接口的组成,6.1.2 I/O接口与I/O端口 6.1.3 I/O端口的编址方式 1I/O端口与内存单元统一编址 统一编址方式的优点是可以用访问内存的指令来访问I/O端口。由于访问内存的指令种类很多、寻址方式多样，因此这种编址方式为访问外设带
2、来了很大的灵活性。原则上讲，所有用于内存的指令都可以用于外设，不再需要专门的I/O指令。同时，I/O控制信号也可与存储器的控制信号共用，这样就给应用带来了很大的方便。,2I/O端口独立编址 I/O端口独立编址时，内存地址空间和外设地址空间是相互独立的。例如，80868088系统的内存地址范围为00000HFFFFFH，而外设端口的地址范围为0000HFFFFH，这两个地址空间相互独立，互不影响。CPU在寻址内存和外设时，使用不同的控制信号来区分当前是对内存操作还是对 I/O端口操作。,6.2 程序查询方式,6.2.1程序查询的基本思想 6.2.2程序查询方式的工作流程,6.3 程序中断方式,程
3、序中断方式的思想是：CPU不需要像查询方式那样一直等待外设的准备就绪状态，一旦外设完成数据准备工作，便主动向CPU发出一个中断请求。在满足一定的中断响应条件下，CPU暂时中止正在执行的程序，转去执行中断服务程序为外设服务。在中断服务程序中完成一次主机与外设之间的数据传送，传送完成后，CPU返回原来的程序，从断点处继续执行。,1.中断源 中断源是指中断请求的来源，即引起计算机中断的事件。通常，一台计算机允许有多个中断源。 2.中断优先权 系统中的中断源有很多，将全部中断源按中断性质和处理的轻重缓急进行排队，给予不同的优先权，当同时有多个中断源提起中断请求时，优先响应优先级高的，这就是中断的优先级
4、问题。 3.中断禁止与屏蔽 在微机的CPU内部有中断允许/禁止标志IF。可以通过编程让IF=1，这时允许响应外部中断的请求；如果让IF=0，则禁止响应所有的外部可屏蔽中断。,6.3.2 中断处理流程 主要包含5个步骤：中断请求、中断判优、中断响应、中断服务和中断返回。 1中断请求 即中断源需要CPU服务时，首先要发出一个有效的中断请求信号送到CPU的中断输入端。该请求信号可以是脉冲或电平。CPU响应中断后，中断请求信号应及时撤除，以免造成多次响应。中断系统用中断寄存器来保存外设的请求，直到该请求被CPU响应后，对应的请求位才被恢复。 2中断判优 CPU往往只有一条中断请求线，并且任一时刻只能响
5、应并处理一个中断，当有多个中断源同时请求时，要求CPU能识别出优先级最高的中断源并响应之，在其处理完后，再响应级别较低的中断源的请求。,3中断响应 只有满足下列条件，CPU才会响应当前的中断请求。 (1) CPU允许中断 (2) 一条指令执行完毕 当满足上述条件后，CPU响应中断。响应时，CPU除了要向中断源发出中断响应信号外，还要做下述两项工作： 保护断点：这主要是保证中断结束后能返回被中断的程序。断点指的是当前的程序计数器的内容。一般来说， CPU硬件将自动保存断点，有些计算机还自动保存程序状态寄存器(PSW)的内容。 转到中断服务程序入口。进入中断服务程序的实质就是取出中断服务程序的入口
6、地址送程序计数器(PC)。对于向量中断和非向量中断，引出中断服务程序的方法是不相同的。,4中断处理 中断处理是由中断服务子程序来完成的。在中断服务程序中通常要做以下几项工作： 保护现场：前面说了进入中断服务程序之前要保护断点，以便中断结束后能正确返回。除了保存断点外，另外还有一些通用寄存器的状态也需要保存。这是因为CPU要先后执行两个完全不同的程序（现行程序和中断服务程序），若不保护现场，就有可能破坏主程序被中断时的状态，从而造成中断返回后主程序无法正确执行。 执行中断处理程序：不同的中断，其中断处理程序也各不相同，编程人员可根据中断处理的需要来编写。 恢复现场：就是把先前保护的现场进行恢复，
7、也即把所保存的有关寄存器内容按压栈的相反顺序从堆栈中弹出，使这些寄存器恢复到中断前的状态。,5中断返回 中断处理完毕后需要返回到断点处，其操作正好是CPU硬件在中断响应时自动保护断点的逆过程。即 CPU会自动地将堆栈内保存的断点信息弹出到IP、CS和 PSW中，保证被中断的程序从断点处继续往下执行。,6.3.3 中断向量 当中断源向CPU发出中断请求信号INTR之后，CPU进行一定的判优处理。若决定响应这个中断请求，则向中断源发出中断响应信号INTA。中断源接到INTA信号后就通过自己的向量地址形成部件向CPU发送向量地址，CPU接收该向量地址之后就可转入相应的中断服务程序。 向量地址通常有两
8、种情况： (1)向量地址是中断服务程序的入口地址 (2)向量地址是中断向量表的指针,6.3.4 中断判优逻辑 1软件查寻法,2菊花链法,6.3.5 中断的嵌套,6.4 DMA方式,6.4.1 DMA的工作方式 1.DMA的工作特点,DMA方式具有下列特点： 1）它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问； 2）在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现； 3）主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据； 4）DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率； 5）DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后
9、处理。,2. DMA和中断的区别 DMA与中断的主要区别有： 1）中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结束之外，不占用CPU的任何资源。 2）对中断请求的响应时间只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应时间可以发生在每个机器周期结束时。 3）中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，故数据传输速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。 4）DMA请求的优先级高于中断请求。 5）中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅限于完成传送数据块的I/O操作。,3.DMA与主存信息的交换方法 DMA控制器与CPU通常采用以下3种方法使用主
10、存。 1）CPU停止访问主存法 2）存储器分时法 3）周期挪用法,6.4.2 DMA接口组成,DMA的数据传送过程分预处理、数据传送和后处理三个阶段。 1）预处理 向DMA控制逻辑设置数据传输方向（输入/输出）； 向DMA设备地址寄存器送入设备号，并启动设备； 向DMA主存地址寄存器写入交换数据的起始地址； 向DMA字计数器写入交换数据的字数。 2）数据传送 DMA方式以数据块为单位传送。以周期挪用方式为例，其数据输入的具体操作为： 从设备读一个字节到DMA的数据缓冲寄存器； 设备向DMA接口发请求；, DMA接口向CPU申请总线控制权（HOLD）； CPU发回响应信号HLDA，表示允许将总线
11、控制器交给DMA接口； 将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线； 通知设备已被授予一个DMA周期（DACK）； 将DMA数据缓冲器的内容送数据总线 命令主存储器作写操作； 修改主存储器地址和字计数值； 判断数据块是否传送结束，若未结束则继续传送；若已结束（字计数器溢出），则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。 3）后处理 当DMA接口的中断请求得到响应后，CPU进行某些DMA结束工作，如数据校验等。若需要再次传送数据，则重新对DMA接口初始化。,6.5 I/O通道和I/O处理机 6.5.1 I/O通道的种类和功能 根据多台外围设备共享通道的不同情况，可将通道分为三种类型：字节多路通
12、道、选择通道和数组多路通道。,6.5.2 通道型I/O处理机和外围处理机 通道型I/O处理机简称为IOP。IOP 不是一立的计算机，而是计算机系统中的一个部件。IOP 可以和CPU并行工作，提供高速的 DMA 处理能力，实现数据的高速传送。此外，有些 IOP 还提供数据的变换、搜索和字装配分拆能力。,外围处理机结构更接近于一般处理机，或者就是选用已有的通用机。外围机基本上是独立于主处理机工作的，应用于大型高效率的计算机系统中。,6.6 IO接口标准 6.6.1 IDE和SATA IDE标准的基本特征是： (1) 读写磁盘的数据传输率一般不超过2MB/s。 (2) 最多可连接两个IDE设备（磁盘
13、机或其他）。 (3) 如果连接磁盘驱动器，每个磁盘驱动器容量不超过528MB。,为了提高存储容量和传输速度，EIDE（扩充IDE规范，即ATA-2）于1994年正式公布。EIDE标准改进如下： (1) 读写磁盘的数据传输率可达12MB/s18MB/s。 (2) 最多可连接4个EIDE设备。 (3) 支持硬盘的最大容量可达8.4GB。 (3) 每个磁盘驱动器的容量可超过528MB。EIDE通常接在VL-BUS（VESA Local Bus）和PCI（peripheral component interconnect）总线上。,6.6.2 USB和IEEE1394 USB的主要特点有： 1）即插即
14、用（plug-and-play）：USB具自动侦测功能，所以无须顾虑计算机系统资源是否有冲突的情形，可随时安装使用。也不涉及IRQ冲突等问题； 2）热插拔（hot attach and detach）：也就是周边的插入及拔除无需再关闭电源，节省了关机再架设时间； 3）可扩充性：也就是在前面提到的，一个USB控制器在集线器的搭配下，可扩充高达127个外部周边USB装置； 4）安装简易：不需拆卸PC，使用更为简易； 5）高速的传输：在USB2.0提出后，速度可高达480Mbps，这样的传送速度已能满足大部份周边装备的传输使用； 6）总线供电（bus power）：在USB上的装置可选择自我供电（s
15、elf power）或总线供电，因此USB装置本身基本上是可以不需额外的电源供应器； 7）电源管理：当USB装置没有使用时，会自动进入到省电的模式。,2FireWire USB适用于键盘和调制解调器之类的低速外设，FireWire适用于磁盘和视频图像系统等高速设备。FireWire串行总线标准最早是Apple公司在Macintosh上使用的，目前已经被IEEE组织采用，并定为IEEE 1394标准。FireWire可以实现即插即用，具有更高的数据传输速率(IEEE 1394-b高达1Gb/s)。这样高的速率使它具备了足够的带宽支持30帧/s的视频和音频双信号信道的传输。FireWire不需要配备专用计算机来控制设备之间的连接。,
